Прирожденные убийцы: лизины бактериофагов как антимикробные средства
Если вам нужно уничтожить бактерию, обратитесь к профессионалам, к тем, кто миллионы лет в процессе эволюции оттачивал свое антимикробное мастерство — к бактериофагам (фагам). Можно использовать живые фаги, а можно извлечь из них компоненты, принимающие участие в уничтожении бактерий, например, лизины (эндолизины) — ферменты, которые при фаговой инфекции разрушают клеточную стенку бактерий
Фаги — враги бактерий
Напомним, что бактериофаги — это вирусы, поражающие бактерии. Один вид фага, как правило, поражает только определенный вид бактерии. Фаговая частица представляет собой белковый «пакет» с нуклеиновой кислотой. После того как фаг узнал «свою» бактерию и закрепился на ней, его нуклеиновая кислота проникает внутрь микробной клетки и, используя ее ресурсы, запускает производство вирусных частиц. Когда новая партия фагов готова, клеточная стенка бактерии разрывается и юные фаги выходят в большой мир. За разрыв клеточной стенки и неизбежно следующую за ним гибель бактерии как раз и отвечает фаговый фермент лизин. Субстратом лизина является пептидогликан.
Цель — клеточная стенка
Пептидогликан — важнейший компонент клеточной стенки бактерий. Он представляет собой гетерополимер N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, сшитый короткими пептидными цепочками. Фаговые лизины обычно состоят из двух частей (доменов): один из них узнает субстрат и связывается с ним, а второй — осуществляет гидролиз пептидогликана. Отметим, что клетки млекопитающих не имеют стенки, поэтому фаговые лизины не причиняют им никакого вреда.
Лизины, как и другие ферменты фагов, обычно невелики и при этом высокоактивны. Правда, ученые пытаются расширить терапевтические возможности лизинов с помощью всевозможных модификаций. Они устраивают лизинам обмен доменами, провоцируют точечные мутации, присоединяют к лизинам различные пептиды и белки. Так, для повышения эффективности лизинов в уничтожении грамотрицательных бактерий к ним присоединили поликатионные или амфипатические пептиды, которые дестабилизируют внешнюю мембрану бактерии и обеспечивают доставку фермента к пептидогликановому слою, где он уже и делает свою работу.
Лизины vs антибиотики
Фаговые лизины — мощные природные антибактериальные средства. При этом они имеют ряд принципиальных отличий от традиционных антибиотиков.
Так, антибиотикам, чтобы уничтожить бактерию, необходимо, чтобы та росла или делилась, то есть чтобы в ней происходили метаболические процессы, которые антибиотик может нарушить. Что же касается лизинов, то им все равно, в какой фазе жизненного цикла находится бактерия. Они просто уничтожают ее, оказавшись рядом.
Лизины, в отличие от антибиотиков, действуют так же избирательно, как и их родительские фаги, то есть разрушают клеточные стенки только определенных видов бактерий. Это означает, что фаговые лизины при клиническом использовании не будут, как антибиотики, уничтожать нормальную флору человека.
Читайте также: «Пожиратели бактерий» возвращаются, или Чем нам могут быть полезны бактериофаги?
Важным плюсом лизинов является их активность в биопленках. Внутри биопленки бактерии прикреплены друг к другу и погружены в полимерный матрикс, что обеспечивает им защиту и обмен информацией. Биопленки могут образовываться на зубах, эндопротезах, клапанах сердца, костях, дыхательных путях и т.д. При этом они почти непроницаемы для факторов иммунной защиты организма и действия антибиотиков. Поэтому уничтожить возбудителя, укоренившегося в биопленке, очень трудно, иногда для этого требуется хирургическое вмешательство. В экспериментах in vitro и in vivo лизины продемонстрировали свою эффективность в уничтожении бактерий в биопленках.
Одно из основных преимуществ фаговых лизинов перед антибиотиками — низкая вероятность развития у бактерий устойчивости к ним. Лизины уничтожают бактерии путем ферментативного гидролиза компонентов клеточной стенки, которые играют важнейшую роль в сохранении целости бактерии и потому отличаются высокой консервативностью. Проводились эксперименты, в которых Streptococcus pneumononiae и S. aureus выращивали в присутствии соответствующих лизинов в низких концентрациях, но это не привело к развитию у бактерий резистентности к ним.
Благодаря такому сочетанию свойств фаговые лизины, естественно, вызвали интерес у разработчиков ЛС. Особенно большие надежды возлагаются на лизины как на средство для лечения инфекций, вызванных бактериями с множественной устойчивостью к антибиотикам. Так, в США проходят клинические испытания лизина CF-301, активного в отношении S. aureus, устойчивого к метициллину, ванкомицину и даптомицину. Показания, по которым проходят испытания, — инфекции кровотока.
Фаговые лизины испытывают в качестве антимикробных агентов не только в медицине, но и в ветеринарии, растениеводстве, а также в пищевой промышленности — для предотвращения размножения на продуктах питания таких опасных патогенов, как S. aureus и Listeria monocytogenes.
Читайте также: Как наночастицы могут помочь в борьбе с бактериями
Подготовила Татьяна Ткаченко, канд. биол. наук
Литература
1. Jude Ajuebor, Olivia McAuliffe, Jim O’Mahony, R. Paul Ross, et al. (2016) Bacteriophage endolysins and their applications // Science Progress. – 2016. – 99 (2). – Р. 183–199. doi:10.3184/003685016X14627913637705
2. Yves Briers, Maarten Walmagh, Victor Van Puyenbroeck, Anneleen Cornelissen, et al. (2014) Engineered Endolysin-Based «Artilysins» To Combat Multidrug-Resistant Gram-Negative Pathogens // mBio. 2014 Jul-Aug; 5(4): e01379-14. doi: 10.1128/mBio.01379-14.
“Фармацевт Практик” #4′ 2017
